棉纤维发育相关转录因子的研究进展

 转录因子在棉纤维细胞分化发育过程中起重要的调节作用。近年来已经有多个与棉纤维发育相关的转录因子被研究报道,主要包括MYB、HD-ZIP、MADS、TCP等家族成员,其中研究最为广泛的为MYB类转录因子。GL1类的MYB转录因子和MIXTA类的MYB转录因子通过不同的调控方式参与对棉纤维细胞发育的调控。对这些转录因子的深入研究,对于揭示棉纤维细胞分化发育的分子机理具有重要的意义。本文就这方面的研究进展作一简要概述。     

一个新的棉花MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析

MYB类转录因子是指含有MYB结构域的一类转录因子, 广泛参与植物发育和代谢调节。含2个MYB结构域的R2R3类MYB转录因子在植物体内主要参与次生代谢的调节和控制细胞的形态发生。从优质材料7235不同发育时期的棉纤维混合cDNA文库中克隆了一个棉花MYB转录因子基因GhTF1(GenBank登录号: EF651783)。该cDNA序列长1 115 bp, 其开放读码框长度为771 bp, 编码256个氨基酸。表达特征分析表明, 该基因在陆地棉7235不同组织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前1 d, 开花后8 d和11 d的纤维细胞中优势表达。该基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中开放读码框区的序列较保守, 但在非编码区差异较大, 在内含子区存在大片段插失和碱基替换现象。Southern杂交结果表明该基因在陆地棉基因组中存在2个拷贝, 推测A、D亚组中各有1个拷贝。利用海7124和TM-1两亲本配置的BC₁作图群体, 将GhTF1定位在染色体10上。     

棉花GhMYB0基因的克隆、表达分析及功能鉴定

MYB类转录因子是植物转录因子最大的家族之一, 参与控制植物腺毛细胞的模式和形态建成。本研究利用雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii) D₅基因组数据库以AtMYB0 (GL1, NM_113708)蛋白为参比序列获得同源基因GrMYB0, 从徐州142中克隆了陆地棉的GhMYB0, 其开放阅读框长度为843 bp, 编码280个氨基酸。经过保守结构域分析和亚细胞定位确定GhMYB0为R2R3-MYB转录因子。qRT-PCR的结果表明, GhMYB0在徐州142开花当天开始高调表达, 开花后20 d表达量达高峰; 在所有的组织器官中, 花中表达量最高, 其次为胚珠。转基因功能分析结果表明, 在野生型拟南芥(Columbia)中过表达GhMYB0, 使其叶片表皮毛与野生型相比明显减少; 该基因在拟南芥突变体gl-1中过表达, 能恢复表皮毛缺失型突变体的表型, 说明该基因可能对拟南芥表皮毛的形态建成发挥一定作用, 本试验为研究R2R3-MYB转录因子在棉纤维起始和伸长过程中的调控作用提供有力证据。     

棉花转录因子基因GhMYB的克隆及特征分析

从棉花中克隆了1个MYB基因,命名为GhMYB(Gen Bank No.HQ234875)。该基因c DNA全长1264bp,具有1个774 bp的开放阅读框,5'非编码区为250 bp,3'非编码区为240 bp,编码256个氨基酸,预测分子量约为28.867 k Da,等电点为8.56,推测的氨基酸序列中含有2个高度保守的SANT结构域。GhMYB基因组序列长度为1355 bp,包含2个外显子和1个内含子。氨基酸同源分析发现,GhMYB与来自可可、陆地棉和巴旦木的MYB同源性较高。亚细胞定位结果表明,GhMYB:GFP融合蛋白定位于细胞核中。SDS-PAGE电泳分析表明,p ET-28a-GhMYB最佳诱导表达条件为1.0 mmol·L-1 IPTG在37℃下诱导4 h。电子表达谱分析表明,GhMYB基因在棉铃中特异表达,在根和叶中受水涝胁迫的诱导表达。     

陆地棉NAC转录因子基因GhNAC6的克隆、表达和耐盐性分析

【目的】NAC(NAM-ATAF-CUC)家族是植物细胞内特有的1类转录因子家族,参与植物的抗逆过程。为了研究棉花抗逆的分子机制,本研究从陆地棉TM-1中克隆到1个NAC转录因子基因并研究了其功能。【方法】根据其序列同源性和进化分析结果,将该基因命名为GhNAC6,本文对GhNAC6进行了生物信息学和表达分析,并利用病毒诱导基因沉默技术在棉花中沉默GhNAC6的表达。【结果】GhNAC6全长为1629 bp,包含2个内含子,其中编码区为900 bp,编码1个相对分子质量为33.9×10~3、等电点为6.18的蛋白。GhNAC6启动子区段包含多个与诱导表达和组织特异表达相关的顺式作用元件。转录组数据分析结果表明,GhNAC6在棉花发育的不同时期具有时空表达差异性;实时荧光定量核酸扩增检测结果显示GhNAC6还受到植物激素水杨酸、乙烯利、茉莉酸甲酯和逆境胁迫低温、高温、高盐、伤口的诱导。干涉GhNAC6基因发现,降低GhNAC6基因的表达能增强棉花对盐胁迫的耐受性。【结论】研究结果表明GhNAC6可能参与了棉花发育、逆境响应和激素信号传导的过程。     

棉花涝渍胁迫的耐受及应答机制研究进展

涝渍是中国长江、黄河流域棉区棉花产量、品质提高的重要限制因子。棉花常具有复杂的耐涝机制,其中,转录因子在其响应涝渍胁迫中发挥着重要作用。本研究从形态结构、生理生化、基因表达等方面综述了近几年国内外有关棉花涝渍胁迫的研究进展,探讨了胁迫条件下棉花的形态及生理适应性,信号转导过程,重点分析了b ZIP、AP2/EREBP,NAC、WRKY、MYB、b HLH等几大家族转录因子的结构、分类及生物学功能,并对其响应非生物胁迫的复杂调控机制进行了论述,以期为发掘棉花耐涝基因,利用分子手段培育棉花耐涝新品种提供思路。     

陆地棉小GTP结合蛋白基因GhRop4的克隆及其表达分析

【目的】对陆地棉小GTP结合蛋白基因(Small GTP-binding protein)GhRop4(AY965614.1)在多种逆境胁迫下的应答表达模式进行研究分析,为棉花抗逆相关基因克隆及棉花抗逆分子机制研究奠定基础。【方法】利用生物信息学方法分析了GhRop4基因的结构特征和进化树关系,并通过荧光定量PCR(Real-time quantitative polymerase chain reaction,qRT-PCR)的方法分析Gh Rop4基因的组织表达特异性和不同逆境诱导条件下的表达模式。【结果】以陆地棉c DNA为模板克隆得到GhRop4基因,其开放阅读框为588 bp,编码包含195个氨基酸残基的Ⅰ型Rop蛋白。氨基酸多重序列比对表明,GhRop4与其它植物Rop蛋白高度同源,符合Rop蛋白结构特点。qRT-PCR分析表明,GhRop4基因在棉花幼苗根、茎、叶、子叶和下胚轴中均有表达,且在子叶和茎中表达水平较高。GhRop4基因对高盐、干旱、低温和棉花黄萎病菌处理都有一定程度的响应。【结论】Gh Rop4基因在陆地棉的逆境胁迫适应过程中可能具有重要的作用。     

大豆转录因子GmMYB52的克隆、表达及结合功能分析

MYB类转录因子在植物的生长发育和逆境响应中有重要的调控作用。依据课题组前期获得的盐胁迫相关的数字表达谱(DGEP)数据,获得盐胁迫响应显著上调基因GmMYB52,利用RT-PCR方法从栽培大豆(Williams 82)中克隆该基因片段,并与已公布的Williams 82基因组数据库序列比对,该基因与GmMYB52序列一致。生物信息学分析表明,GmMYB52编码区(CDS)全长1083 bp,编码360个氨基酸。其编码的氨基酸序列具有MYB类转录因子的共同特征,其距N端110~160氨基酸残基处有MYB结构域;系统进化树分析表明,该基因编码的蛋白与GmMYB62、拟南芥AtMYBSt1、苜蓿Mt MYB52、水稻Os MYBS3及木豆Cc MYB-like protein J的亲缘关系最近;实时荧光定量PCR结果表明,大豆根部GmMYB52的转录水平受外界非生物逆境的调控,用脱落酸(ABA)和低温(4℃)处理后12 h明显上调,用氯化钠和PEG处理0.5~24.0 h后检测到GmMYB52的转录水平在50%~600%区间内呈现出先上调后下调再上调的趋势。GmMYB52为组成型表达,在大豆的幼苗期和开花期表达较多,在成熟期表达相对较低。GmMYB52在茎叶与开花期的花中表达较强,在根的表达较弱,而在成熟期的豆荚中几乎不表达。亚细胞定位的结果表明,GmMYB52定位于细胞核,符合典型转录因子的定位特征。酵母杂交系统检测表明,GmMYB52具有转录激活特征,并且能够与MYB相关顺式作用元件基序相结合。本研究结果表明,GmMYB52编码典型的MYB转录因子,具有转录激活活性及DNA结合活性,在大豆中的表达可能与大豆的非生物胁迫和ABA信号转导途径有关,推测其可能参与了大豆对非生物胁迫的响应。     

利用马克隆值差异显著的BILs鉴定棉纤维品质相关基因

【目的】马克隆值是衡量棉纤维品质的重要指标之一。利用马克隆值存在显著差异的2个陆海回交近交系材料进行高通量基因芯片分析,旨在筛选和鉴定棉纤维发育相关的关键基因。【方法】从SG747(Gossypium hirsutum L.)和Giza75(Gossypium Barbadense L.)高世代回交近交系(Backcross Inbred Lines,BILs)群体中选取NMGA-140(马克隆值6.2)和NMGA-051(马克隆值4.0)为材料,利用Affymetrix公司的棉花寡聚核苷酸基因芯片对其开花后10 DPA(Days after anthesis)的棉纤维进行了表达谱分析。【结果】获得了2655个差异表达基因,包括功能预测基因(15.57%),翻译、核糖体结构与生物合成相关基因(13.54%)和翻译后修饰、蛋白质转换、分子伴侣相关基因(9.31%)等。推测β-tub10正向调控棉纤维发育过程,β-tub1负向调控棉纤维发育过程,Ghi.3578.1.S1_s_at在棉纤维发育早期起到了作用。【结论】为棉花纤维品质的遗传改良提供了丰富的基因资源,为分子标记辅助育种开发更多新的分子标记。     

海岛棉GbWRKY40基因的克隆及特征分析

【目的】WRKY转录因子调控多种生物学进程,包括植物生长发育和应答多种环境胁迫。本研究旨在分析WRKY转录因子在海岛棉纤维发育中的功能。【方法】从海岛棉中克隆了1个WRKY转录因子基因GbWRKY40,进行同源性分析、多序列比对,利用荧光定量聚合酶链式反应分析其表达模式,通过构建酵母表达载体并转化酵母菌株AH109研究其转录激活活性。【结果】该基因c DNA全长1713 bp,5'非编码区长261 bp,3'非编码区长510 bp;开放阅读框长942 bp,编码313个氨基酸,预测相对分子质量约为34.138×103,等电点为8.46,包含5个外显子和4个内含子;其编码蛋白含有1个WRKY保守区(WRKYGQK)和1个锌指基序(C-X5-C-X23-H-X1-H),属于WRKY家族第Ⅱ类a组,包含3个核定位信号区,与陆地棉GhWRKY40同源性最高。GbWRKY40在根和开花后25 d纤维中表达量高,而且不具有转录激活活性。【结论】GbWRKY40可能参与调控棉纤维次生壁发育。     

棉花纤维发育的分子机理及品质改良研究进展

 棉花纤维细胞的分化与发育是一个复杂有序的过程,在不同的发育时期均有大量的基因表达,参与纤维细胞发育的调控。转录因子和植物激素在棉纤维细胞分化起始过程中起重要的作用。纤维细胞壁结构、细胞骨架和糖类、脂类代谢相关的基因以及激素信号分子与纤维细胞的伸长密切相关。棉纤维次生壁合成时期主要是纤维素的合成及沉积过程,蔗糖合成酶和纤维素合成酶等基因在这一时期起关键的调节作用。在棉纤维发育分子生物学研究的基础上,利用基因工程改良棉花纤维品质也取得了一些研究进展。     

陆地棉蔗糖磷酸合成酶基因家族的鉴定及表达分析

【目的】蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)是调控植物蔗糖代谢合成途径的关键酶,在植物光合产物的积累与分配方面发挥着重要作用,然而棉花中SPS基因的系统研究尚很少开展。本研究旨在对陆地棉SPS基因进行全基因组鉴定,并对它们的表达特性进行系统分析。【方法】基于已公布的陆地棉基因组序列,利用生物信息学和荧光定量聚合酶链式反应(Quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)等方法对陆地棉SPS家族基因的蛋白结构、进化关系、基因结构特征、染色体定位、基因复制和表达特性进行分析。【结果】(1)在陆地棉基因组中,共鉴定到10个Gh SPS基因(Gh SPS1-Gh SPS10);(2)Gh SPS蛋白具有植物SPS家族特有的两个保守的蛋白结构域和3个相对保守的蛋白磷酸化位点;(3)进化分析表明,Gh SPS蛋白可聚为A、B和C共3个亚族,其中A亚族成员最多,包含6个GhSPS蛋白;(4)位于同一亚族的GhSPS基因具有相似的外显子-内含子分布模式,但是外显子/内含子数目在不同亚族间差异很大;(5)GhSPS基因均匀地分布在陆地棉A亚组和D亚组的5条染色体上,片段复制可能导致了GhSPS基因在陆地棉基因组中的扩增;(6)转录组分析表明,不同亚族GhSPS基因具有不同的组织表达模式,A亚族Gh SPS基因在被检测的各个组织均有较高的表达,B亚族GhSPS基因主要在叶片中高表达,C亚族Gh SPS基因主要在纤维、叶片和花瓣中高表达;(7)进一步荧光定量PCR分析表明,GhSPS4在叶片中表达量很高,GhSPS1在叶片和花瓣中表达量较高,Gh SPS7和Gh SPS10在被检测的各个组织均有较高的表达,该结果与转录组分析结果相对一致。【结论】陆地棉SPS基因家族包含10个成员,分布在5条染色体上,可分为3个亚族,不同亚族成员呈现出不同的表达模式,为后续深入解析陆地棉SPS家族基因的功能奠定理论基础。     

陆地棉SRO基因家族的鉴定及表达分析

SRO是植物特有的类RCD-ONE蛋白家族,在植物抵御各种生物和非生物胁迫过程中具有重要的作用。本研究利用生物信息学方法从陆地棉遗传标准系TM-1(Gossypium hirsutum L.acc.TM-1)基因组中鉴定到12个SRO基因家族成员。多重序列比对及进化树分析表明,12个陆地棉SRO均含有PARP和RST结构域,聚为3类,即A、B和C亚家族。转录组数据分析表明,TM-1全基因组中的Gh_D12G1442在茎中优势表达,Gh_D05G2064在萼片和雄蕊中优势表达;Gh_A05G3788在雄蕊中优势表达,Gh_A12G1318在雄蕊和纤维中优势表达;Gh_A12G2480、Gh_D12G2608、Gh_A05G2257和Gh_D05G2516在纤维中优势表达;Gh_A08G1390、Gh_D08G1685、Gh_A12G2663和Gh_D12G2054具有较为广泛的组织表达。逆境胁迫处理试验表明,Gh_A08G1390明显受冷处理和盐处理的诱导,Gh_D12G2054、Gh_D08G1685、Gh_A12G2663基因在不同的胁迫处理下受到不同程度的诱导。